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ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Gerhard Lener
Dipl.-Ing. Felix Bertagnolli
1
Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften
Stahlbau und Mischbautechnologie
Univ. Prof. Dipl.- Ing. Dr. techn. Gerhard Lener
Ein Algorithmus zur parameterfreien
Formoptimierung und Vergleich mit
kommerziellen Lösungen
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 2
Inhaltsübersicht
Motivation für die Entwicklung des Algorithmus
Vorstellung des entwickelten Algorithmus
Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung
Zusammenfassung und Ausblick
Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung
Anwendung an einem Druckgussgehäuse
Optimierungsverfahren mittels FEM
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Motivation
3
 Optimierung der Form eines Kunststoff-Bedienhebels einer
mechanisch verstellbaren Lenksäule hinsichtlich Festigkeit
Ausgangsgeometrie für die Optimierung
 Die Optimierung soll nach Möglichkeit in ANSYS Workbench erfolgen
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 4
Optimierung mittels FEM
Motivation für die Entwicklung des Algorithmus
Vorstellung des entwickelten Algorithmus
Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung
Zusammenfassung und Ausblick
Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung
Anwendung an einem Druckgussgehäuse
Optimierungsverfahren mittels FEM
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung mittels FEM
5
„Von Hand“-Optimierung
Parameterorientierte Optimierung
Parameterfreie Optimierung
Geometrie
CAD
Model SetupSolution
Post-
processing
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung mittels FEM
6
Parameterorientierte Optimierung
Sauter, Mulfinger, Muller: Neue Entwicklungen im Bereich der Gestalt-
und Topologieoptimierung; FE-Design, Karlsruhe [1992]
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung mittels FEM
7
Sauter, Mulfinger, Muller: Neue Entwicklungen im Bereich der
Gestalt- und Topologieoptimierung; FE-Design, Karlsruhe [1992]
Parameterfreie Optimierung
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 8
Optimierung über Temperaturverformungen
Motivation für die Entwicklung des Algorithmus
Vorstellung des entwickelten Algorithmus
Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung
Zusammenfassung und Ausblick
Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung
Anwendung an einem Druckgussgehäuse
Optimierungsverfahren mittels FEM
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung über Temperaturverformungen
9
Spannungsanalyse
infolge der Belastung
Verformungsberechnung
der Temperaturbelastung
Geometrie
CAD Setup
Solution
Post
→
Solution
Post
{u,v,w}
Setup
Geometrie
CAD
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung über Temperaturverformungen
10
Definition der Randbedingungen
der statischen Analyse
Definition der Bereiche
wo die Geometrie nicht
modifiziert werden darf
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung über Temperaturverformungen
11
Transfer des Modells nach ANSYS APDL
und Angabe der ADPL-Datei für die Optimierung
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung über Temperaturverformungen
12
! seqv in etable
etable,seqv,s,eqv
! Speichern in S_eqv
*vget,s_eqv(1),elem,1,etab,seqv
! Maximalspannung
esort,seqv
*get,seqvmx,sort,,max
! Temperaturbelastung aufbringen
treff,seqvmx*0.5
*do,iel,1,elmx
bfe,iel,temp,1,s_eqv(iel)
*enddo
! Factor Temperaturverformung
fac=500
upgeo,fac,1,1,temp,rst
save,geo_opt,db
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung über Temperaturverformungen
13
Ergebnis der Optimierung
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung über Temperaturverformungen
14
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
v'MisesSpannung[%]
Iterationen
Ergebnis der Optimierung Rückführung der optimierten
Geometrie z.B. FE-Modeler
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 15
Parameterorientierte Gestaltoptimierung
Motivation für die Entwicklung des Algorithmus
Vorstellung des entwickelten Algorithmus
Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung
Zusammenfassung und Ausblick
Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung
Anwendung an einem Druckgussgehäuse
Optimierungsverfahren mittels FEM
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterorientierte Gestaltoptimierung
16
DS_Angle = 20..150
DS_Thickness = 15..25
DS_Depth = 15..25
DS_LowerRadius = 45..55
Quelle: CADFEM Update Training 12.1
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterorientierte Gestaltoptimierung
17
Initial mass: 752g,
safety factor: 0.546,
Quelle: CADFEM Update Training 12.1
Optimal: 717 g,
safety factor: 1.126
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterorientierte Gestaltoptimierung
18
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterorientierte Gestaltoptimierung
19
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
v'MisesSpannung[%]
Masse[%]
Iterationen
Optimierung Kranhaken
Seqv [Mpa] Masse [kg]
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 20
Parameterfreie Topologieoptimierung
Motivation für die Entwicklung des Algorithmus
Vorstellung des entwickelten Algorithmus
Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung
Zusammenfassung und Ausblick
Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung
Anwendung an einem Druckgussgehäuse
Optimierungsverfahren mittels FEM
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterfreie Topologieoptimierung
21
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterfreie Topologieoptimierung
22
Shape Optimization (ANSYS ) Temperaturverformung
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterfreie Topologieoptimierung
23
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
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0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
v'MisesSpannung[%]
Masse[%]
Iterationen
Optimierung Bremshebel
Seqv [Mpa] Masse [kg]
82%
ITER=2
ITER=10
54%
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterfreie Topologieoptimierung
24
ITER=2ITER=10
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 25
Optimierung - Druckgussgehäuse
Motivation für die Entwicklung des Algorithmus
Vorstellung des entwickelten Algorithmus
Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung
Zusammenfassung und Ausblick
Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung
Anwendung an einem Druckgussgehäuse
Optimierungsverfahren mittels FEM
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung - Druckgussgehäuse
26
Werkstoff: EN AC-42200 T6
Deckel
Gehäuse
40%
50%
60%
70%
80%
90%
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110%
120%
40%
50%
60%
70%
80%
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100%
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
v'MisesSpannung[%]
Masse[%]
Iterationen
Druckgussgehäuse
Spannung [%] Masse [%]
85%
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung - Druckgussgehäuse
27
Definition der Randbedingungen in WB
(Named Selections)
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung - Druckgussgehäuse
28
5
,1
2 1 1 1
,2
180,5
153,6
k
a
a
N N N N 2,24
Erhöhung der ertragbaren Lastspielzahlen
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung - Druckgussgehäuse
29
Modifizierte Geometrie
Vergleich mit Ausgangsgeometrie
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 30
Zusammenfassung - Ausblick
Motivation für die Entwicklung des Algorithmus
Vorstellung des entwickelten Algorithmus
Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung
Zusammenfassung und Ausblick
Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung
Anwendung an einem Druckgussgehäuse
Optimierungsverfahren mittels FEM
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Zusammenfassung
31
 Es wurden die gebräuchlichen Verfahren zur Optimierung der
Gestalt und Topologie von vorgestellt und die erzielbaren
Ergebnisse miteinander verglichen.
 Von den drei Optimierungsverfahren
 „von Hand“
 parameterorientierte
 parameterfreie
besitzen alle Verfahren Stärken und Schwächen.
 Das in ANSYS integrierte Verfahren der Topologieoptimierung liefert
vergleichbare Ergebnisse wie das entwickelte Verfahrung mittels der
Temperaturverformungen.
 Das Verfahren der Topologieoptimierung in ANSYS kann jedoch keine
Elemente über den vorgegebenen Bauraum hinaus hinzufügen, das Verfahren
mittels der Temperaturverformungen schlecht Elemente entfernen.
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Zusammenfassung
32
 Das entwickelte Verfahren erforderte keine zusätzliche Software.
 Die Möglichkeiten der Workbenchumgebung lassen sich sinnvoll und
auf ähnlich intuitive Art wie für die übrigen Programmteile nutzen.
 Das entwickelte Verfahren bietet Vorteile bei der Definition der
Randbedingungen für die Optimierung und liefert einen raschen Hinweis
auf die Optimierungsmöglichkeit von komplexen dreidimensionalen Bauteilen.
 Als Nachteil ist derzeit noch die beschränkte Modifikation der
Ausgangsgeometrie anzusehen. Bei großen Umformgraden
entstehen „schlechte Elemente“, welche den Einsatz limitieren.
 Der Markt bietet sehr viel Software zur Bauteiloptimierung. Keines der
Verfahren liefert aber in allen Fällen auf Knopfdruck die optimale Lösung.
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Ausblick und mögliche Weiterentwicklungen
33
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
 Einbau von automatischen REZONING / REMESHING
Routinen (z.B. in WB über FE-Modeler)
 Verbesserung des Moduls zur Entfernung von
gering beanspruchten Modellbereichen
Kontaktieren Sie uns – wir helfen Ihnen gerne!
CADFEM (Austria) GmbH
Wagenseilgasse 14
1120 Wien
Tel. +43 (0)1 587 70 73 – 0
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Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

  • 1. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Gerhard Lener Dipl.-Ing. Felix Bertagnolli 1 Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften Stahlbau und Mischbautechnologie Univ. Prof. Dipl.- Ing. Dr. techn. Gerhard Lener Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen
  • 2. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 2 Inhaltsübersicht Motivation für die Entwicklung des Algorithmus Vorstellung des entwickelten Algorithmus Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung Zusammenfassung und Ausblick Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung Anwendung an einem Druckgussgehäuse Optimierungsverfahren mittels FEM
  • 3. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Motivation 3  Optimierung der Form eines Kunststoff-Bedienhebels einer mechanisch verstellbaren Lenksäule hinsichtlich Festigkeit Ausgangsgeometrie für die Optimierung  Die Optimierung soll nach Möglichkeit in ANSYS Workbench erfolgen
  • 4. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 4 Optimierung mittels FEM Motivation für die Entwicklung des Algorithmus Vorstellung des entwickelten Algorithmus Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung Zusammenfassung und Ausblick Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung Anwendung an einem Druckgussgehäuse Optimierungsverfahren mittels FEM
  • 5. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung mittels FEM 5 „Von Hand“-Optimierung Parameterorientierte Optimierung Parameterfreie Optimierung Geometrie CAD Model SetupSolution Post- processing
  • 6. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung mittels FEM 6 Parameterorientierte Optimierung Sauter, Mulfinger, Muller: Neue Entwicklungen im Bereich der Gestalt- und Topologieoptimierung; FE-Design, Karlsruhe [1992]
  • 7. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung mittels FEM 7 Sauter, Mulfinger, Muller: Neue Entwicklungen im Bereich der Gestalt- und Topologieoptimierung; FE-Design, Karlsruhe [1992] Parameterfreie Optimierung
  • 8. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 8 Optimierung über Temperaturverformungen Motivation für die Entwicklung des Algorithmus Vorstellung des entwickelten Algorithmus Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung Zusammenfassung und Ausblick Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung Anwendung an einem Druckgussgehäuse Optimierungsverfahren mittels FEM
  • 9. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung über Temperaturverformungen 9 Spannungsanalyse infolge der Belastung Verformungsberechnung der Temperaturbelastung Geometrie CAD Setup Solution Post → Solution Post {u,v,w} Setup Geometrie CAD
  • 10. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung über Temperaturverformungen 10 Definition der Randbedingungen der statischen Analyse Definition der Bereiche wo die Geometrie nicht modifiziert werden darf
  • 11. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung über Temperaturverformungen 11 Transfer des Modells nach ANSYS APDL und Angabe der ADPL-Datei für die Optimierung
  • 12. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung über Temperaturverformungen 12 ! seqv in etable etable,seqv,s,eqv ! Speichern in S_eqv *vget,s_eqv(1),elem,1,etab,seqv ! Maximalspannung esort,seqv *get,seqvmx,sort,,max ! Temperaturbelastung aufbringen treff,seqvmx*0.5 *do,iel,1,elmx bfe,iel,temp,1,s_eqv(iel) *enddo ! Factor Temperaturverformung fac=500 upgeo,fac,1,1,temp,rst save,geo_opt,db
  • 13. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung über Temperaturverformungen 13 Ergebnis der Optimierung
  • 14. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung über Temperaturverformungen 14 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 v'MisesSpannung[%] Iterationen Ergebnis der Optimierung Rückführung der optimierten Geometrie z.B. FE-Modeler
  • 15. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 15 Parameterorientierte Gestaltoptimierung Motivation für die Entwicklung des Algorithmus Vorstellung des entwickelten Algorithmus Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung Zusammenfassung und Ausblick Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung Anwendung an einem Druckgussgehäuse Optimierungsverfahren mittels FEM
  • 16. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Parameterorientierte Gestaltoptimierung 16 DS_Angle = 20..150 DS_Thickness = 15..25 DS_Depth = 15..25 DS_LowerRadius = 45..55 Quelle: CADFEM Update Training 12.1
  • 17. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Parameterorientierte Gestaltoptimierung 17 Initial mass: 752g, safety factor: 0.546, Quelle: CADFEM Update Training 12.1 Optimal: 717 g, safety factor: 1.126
  • 18. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Parameterorientierte Gestaltoptimierung 18
  • 19. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Parameterorientierte Gestaltoptimierung 19 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 v'MisesSpannung[%] Masse[%] Iterationen Optimierung Kranhaken Seqv [Mpa] Masse [kg]
  • 20. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 20 Parameterfreie Topologieoptimierung Motivation für die Entwicklung des Algorithmus Vorstellung des entwickelten Algorithmus Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung Zusammenfassung und Ausblick Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung Anwendung an einem Druckgussgehäuse Optimierungsverfahren mittels FEM
  • 21. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Parameterfreie Topologieoptimierung 21
  • 22. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Parameterfreie Topologieoptimierung 22 Shape Optimization (ANSYS ) Temperaturverformung
  • 23. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Parameterfreie Topologieoptimierung 23 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 v'MisesSpannung[%] Masse[%] Iterationen Optimierung Bremshebel Seqv [Mpa] Masse [kg] 82% ITER=2 ITER=10 54%
  • 24. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Parameterfreie Topologieoptimierung 24 ITER=2ITER=10
  • 25. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 25 Optimierung - Druckgussgehäuse Motivation für die Entwicklung des Algorithmus Vorstellung des entwickelten Algorithmus Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung Zusammenfassung und Ausblick Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung Anwendung an einem Druckgussgehäuse Optimierungsverfahren mittels FEM
  • 26. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung - Druckgussgehäuse 26 Werkstoff: EN AC-42200 T6 Deckel Gehäuse 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110% 120% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110% 120% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 v'MisesSpannung[%] Masse[%] Iterationen Druckgussgehäuse Spannung [%] Masse [%] 85%
  • 27. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung - Druckgussgehäuse 27 Definition der Randbedingungen in WB (Named Selections)
  • 28. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung - Druckgussgehäuse 28 5 ,1 2 1 1 1 ,2 180,5 153,6 k a a N N N N 2,24 Erhöhung der ertragbaren Lastspielzahlen
  • 29. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Optimierung - Druckgussgehäuse 29 Modifizierte Geometrie Vergleich mit Ausgangsgeometrie
  • 30. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 30 Zusammenfassung - Ausblick Motivation für die Entwicklung des Algorithmus Vorstellung des entwickelten Algorithmus Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung Zusammenfassung und Ausblick Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung Anwendung an einem Druckgussgehäuse Optimierungsverfahren mittels FEM
  • 31. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Zusammenfassung 31  Es wurden die gebräuchlichen Verfahren zur Optimierung der Gestalt und Topologie von vorgestellt und die erzielbaren Ergebnisse miteinander verglichen.  Von den drei Optimierungsverfahren  „von Hand“  parameterorientierte  parameterfreie besitzen alle Verfahren Stärken und Schwächen.  Das in ANSYS integrierte Verfahren der Topologieoptimierung liefert vergleichbare Ergebnisse wie das entwickelte Verfahrung mittels der Temperaturverformungen.  Das Verfahren der Topologieoptimierung in ANSYS kann jedoch keine Elemente über den vorgegebenen Bauraum hinaus hinzufügen, das Verfahren mittels der Temperaturverformungen schlecht Elemente entfernen.
  • 32. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Zusammenfassung 32  Das entwickelte Verfahren erforderte keine zusätzliche Software.  Die Möglichkeiten der Workbenchumgebung lassen sich sinnvoll und auf ähnlich intuitive Art wie für die übrigen Programmteile nutzen.  Das entwickelte Verfahren bietet Vorteile bei der Definition der Randbedingungen für die Optimierung und liefert einen raschen Hinweis auf die Optimierungsmöglichkeit von komplexen dreidimensionalen Bauteilen.  Als Nachteil ist derzeit noch die beschränkte Modifikation der Ausgangsgeometrie anzusehen. Bei großen Umformgraden entstehen „schlechte Elemente“, welche den Einsatz limitieren.  Der Markt bietet sehr viel Software zur Bauteiloptimierung. Keines der Verfahren liefert aber in allen Fällen auf Knopfdruck die optimale Lösung.
  • 33. ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien Ausblick und mögliche Weiterentwicklungen 33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit  Einbau von automatischen REZONING / REMESHING Routinen (z.B. in WB über FE-Modeler)  Verbesserung des Moduls zur Entfernung von gering beanspruchten Modellbereichen
  • 34. Kontaktieren Sie uns – wir helfen Ihnen gerne! CADFEM (Austria) GmbH Wagenseilgasse 14 1120 Wien Tel. +43 (0)1 587 70 73 – 0 E-Mail. info@cadfem.at Web. http://www.cadfem.at Immer aktuell informiert – CADFEM Blog, Xing und Youtube-Channel CADFEM Blog - Umfassend informiert • News zur FEM-Simulation - What‘s hot? What‘s new? • Video-Tutorials - ANSYS, LS DYNA & mehr • Hinter den Kulissen: CADFEM intern CADFEM Youtube Channel - Tips & Trick • Video Tutorials - ANSYS Software und CADFEM Applications CADFEM auf Xing - News kompakt • Vorschau auf Events & Seminare • Neue CADFEM Produkte • CADFEM Jobbörse Fragen? Interesse?